ART Budihardja M Sistem Modulator dan Demodulator fulltext
Sistem Modulator dan Demodulator BPSK
dengan Costas Loop
Budihardja Murtianta
Program Studi Teknik Elektro,
Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer,
Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga
budihardja.murtianta@staff.uksw.edu
Ringkasan
Pada tulisan ini akan dibahas suatu sistem transmisi data berbasis BPSK (Binary Phase Shift
Keying) menggunakan Costas Loop pada demodulatomya. Pada prinsipnya Costas Loop
adalah bentuk khusus dari PLL yang difungsikan untuk melakukan demodulasi sinyalsinyal yang termodulasi secara supressed-carrier. Costas Loop menggunakan umpan balik
negatif untuk melakukan carrier recovery, kemudian sinyal pembawa yang dihasilkan
digunakan untuk melakukan demodulasi sinyal BPSK-nya. Sistem ini terdiri dari modulator
dan demodulator BPSK yang menggunakan format Non Return Zero Bipolar. Pada sistem
modulator BPSK akan menghasilkan isyarat Ac cos(afct) untuk menyatakan "high" dan - Ac
coscoct untuk menyatakan "low" sedang pada sistem demodulator BPSK akan menghasilkan
aras "high" untuk isyarat yang sefasa dan menghasilkan aras "low" untuk isyarat berbeda
fasa 180°.
Kata kunci: Binary Phase Shift Keying, Costas Loop, carrier recovery
1.
Pendahuluan
Modulasi digital yang sering digunakan adalah Amplitudo Shift Keying (ASK),
Frequency Shift Keying (FSK) dan Phase Shift Keying (PSK).
1. Amplitudo Shift Keying (ASK)
ASK adalah jenis modulasi digital yang paling sederhana. Jenis modulasi ini
menggunakan amplitudo berbeda untuk menyatakan bit 1 dan 0. Modulasi ASK
yang menggunakan kondisi hidup (on) dan kondisi mati (off) untuk menyatakan
data 1 dan 0 disebut OOK (On Off Keying). Sinyal yang termodulasi OOK dapat
digambarkan seperti pada Gambar 1 di bawah ini.
n
III
If
TLJ-L
III
III
ini
Gambar 1. Sinyal OOK.
17
Techne Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 14 No. 1 April 2015 Hal 17 - 26
2.
Frequency Shift Keying (FSK)
Modulasi FSK menggunakan frekuensi yang berbeda untuk menyatakan data 1
dan 0, seperti dapat dilihat pada Gambar 2 di bawah ini.
Gambar 2. Sinyal FSK.
Phase Shift Keying (PSK)
Jenis modulasi yang terakhir adalah modulasi PSK. Modulasi ini menggunakan
fasa yang berbeda untuk menyatakan data 1 dan 0, biasanya digunakan beda fasa
0° dan 180° seperti pada Gambar 3 di bawah ini.
P$K SlfMl »«> MO *>• • SMH
•
Gambar 3. Sinyal PSK.
Lebar pita paling lebar adalah modulasi FSK, sedangkan kemungkinan kesalahan
yang terjadi yang paling kecil adalah modulasi PSK. Pada tulisan ini akan dibahas
modulasi dan demodulasi sinyal BPSK {Binary Phase Shift Keying). BPSK adalah jenis
modulasi PSK untuk sinyal informasi yang hanya berupa bit 1 dan 0 saja.
2.
Modulasi dan Demodulasi BPSK
Modulasi BPSK menyatakan bit 1 dan 0 dengan menggunakan fasa yang berbeda.
Biasanya digunakan beda fasa 180° antara bit 1 dengan bit 0. Secara sederhana modulator
BPSK dapat direalisasikan dengan menggunakan sebuah modulator setimbang yang
akan mengalikan data biner dengan format bipolar (NRZ Bipolar) dengan sinyal
pembawanya, seperti dapat dilihat pada Gambar 4 di bawah ini.
18
Sistem Modulator dan Demodulator BPSK dengan Costas Loop
Budihardja Murtianta
•a— w
C3
£ g
^ "ul "
£? iH
,1
03
BPSK
Balanced Modulator
(Product)
Carrier wave
(Accos 27i-/c()
Gambar 4. Bagan Kotak Modulator BPSK Sederhana.
Sinyal BPSK dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:
..
S
f
ylccos(&ict)
, saatlogikal
t4c cos{oict + n) = -Accos(o)et)
, saat logika 0
(1)
Jika dinyatakan dengan data biner format bipolar, maka Persamaan (1) dapat dinyatakan
dengan Persamaan (2) berikut ini.
s(t) - m(t)Aecos(a)ct)
(2)
Dengan TJx(t) adalah sinyal data biner dinyatakan dengan persamaan :
,.
, saatlogikal
f+1 .saatlogikal
=l-i;,;saat logika 0
m(t)
(3)
Pada prakteknya, modulator BPSK sering direalisasikan dengan bagan kotak pada
Gambar 5 sebagai berikut.
NRZ Unipolar
Level
Shifter
Signal
NRZ Bipolar]
Pulse
Signal ^
t
Shape*
Oscillator
Gambar 5. Bagan Kotak Modulator BPSK.
Proses pembentukan sinyal BPSK dapat dijelaskan seperti pada Gambar 6 berikut ini.
1
Sinyal NRZ
Unipolar
0
i
i
0
1
0
A
0
Sinyal NRZ
Bipolar
Sinyal
Pembawa
Sinyal
BPSK
+A/2
,
-A/2
1
+A/2
Ift A A AAAAAAAAA AAAAAA AAA
-A/2
Gambar 6. Proses Pembentukan Sinyal BPSK.
19
1
Techne Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 14 No. 1 April 2015 Hal 17 - 26
Keluaran dari sumber data digital biasanya masih berupa sinyal NRZ Unipolar. Sinyal
NRZ Unipolar adalah sinyal digital yang menyatakan logika 'V dengan level tegangan
tertentu dan logika '0' dengan level tegangan 0 Volt. Sedangkan sinyal NRZ Bipolar
menyatakan logika 'V dengan level tegangan positif tertentu dan logika '0' dengan level
tegangan negatif tertentu. Pada proses modulasi sinyal BPSK, sinyal NRZ Unipolar akan
diubah menjadi sinyal NRZ Bipolar oleh suatu untai Level Shifter. Keluaran dari Level
Shifter akan dikalikan dengan sinyal pembawa yang dihasilkan oleh osilator, hasil
perkalian ini akan menghasilkan sinyal BPSK. Pada perancangan suatu modulator BPSK
sering ditambahkan tapis pelewat rendah, tapis ini digunakan untuk membatasi lebar
pita dari sinyal BPSK yang dihasilkan agar lebar pitanya lebih kecil. Proses demodulasi
dari sinyal BPSK harus dilakukan secara koheren [1]. Demodulasi koheren adalah proses
demodulasi yang membutuhkan informasi fasa dan frekuensi dari sinyal pembawanya
secara tepat [2]. Proses demodulasi sinyal BPSK dapat dilihat pada pada Gambar 7
berikut ini.
BPSK in
Low-pass
filter
Binary output
cosui t
Gambar 7. Demodulasi sinyal BPSK.
Jika sinyal pembawa yang dihasilkan oleh osilator di bagian demodulator dinyatakan
dengan Persamaan (4) di bawah ini.
c(t) = cos(a}ct)
(4)
Maka keluaran dari pengali akan seperti pada Persamaan (5)
out pengali = ^ m(t)(l + cos(2a>c0)
(5)
Keluaran dari pengali ini akan dilewatkan ke suatu tapis pelewat rendah sehingga akan
menghilangkan komponen frekuensi tinggi
2
dengan Costas Loop
Budihardja Murtianta
Program Studi Teknik Elektro,
Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer,
Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga
budihardja.murtianta@staff.uksw.edu
Ringkasan
Pada tulisan ini akan dibahas suatu sistem transmisi data berbasis BPSK (Binary Phase Shift
Keying) menggunakan Costas Loop pada demodulatomya. Pada prinsipnya Costas Loop
adalah bentuk khusus dari PLL yang difungsikan untuk melakukan demodulasi sinyalsinyal yang termodulasi secara supressed-carrier. Costas Loop menggunakan umpan balik
negatif untuk melakukan carrier recovery, kemudian sinyal pembawa yang dihasilkan
digunakan untuk melakukan demodulasi sinyal BPSK-nya. Sistem ini terdiri dari modulator
dan demodulator BPSK yang menggunakan format Non Return Zero Bipolar. Pada sistem
modulator BPSK akan menghasilkan isyarat Ac cos(afct) untuk menyatakan "high" dan - Ac
coscoct untuk menyatakan "low" sedang pada sistem demodulator BPSK akan menghasilkan
aras "high" untuk isyarat yang sefasa dan menghasilkan aras "low" untuk isyarat berbeda
fasa 180°.
Kata kunci: Binary Phase Shift Keying, Costas Loop, carrier recovery
1.
Pendahuluan
Modulasi digital yang sering digunakan adalah Amplitudo Shift Keying (ASK),
Frequency Shift Keying (FSK) dan Phase Shift Keying (PSK).
1. Amplitudo Shift Keying (ASK)
ASK adalah jenis modulasi digital yang paling sederhana. Jenis modulasi ini
menggunakan amplitudo berbeda untuk menyatakan bit 1 dan 0. Modulasi ASK
yang menggunakan kondisi hidup (on) dan kondisi mati (off) untuk menyatakan
data 1 dan 0 disebut OOK (On Off Keying). Sinyal yang termodulasi OOK dapat
digambarkan seperti pada Gambar 1 di bawah ini.
n
III
If
TLJ-L
III
III
ini
Gambar 1. Sinyal OOK.
17
Techne Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 14 No. 1 April 2015 Hal 17 - 26
2.
Frequency Shift Keying (FSK)
Modulasi FSK menggunakan frekuensi yang berbeda untuk menyatakan data 1
dan 0, seperti dapat dilihat pada Gambar 2 di bawah ini.
Gambar 2. Sinyal FSK.
Phase Shift Keying (PSK)
Jenis modulasi yang terakhir adalah modulasi PSK. Modulasi ini menggunakan
fasa yang berbeda untuk menyatakan data 1 dan 0, biasanya digunakan beda fasa
0° dan 180° seperti pada Gambar 3 di bawah ini.
P$K SlfMl »«> MO *>• • SMH
•
Gambar 3. Sinyal PSK.
Lebar pita paling lebar adalah modulasi FSK, sedangkan kemungkinan kesalahan
yang terjadi yang paling kecil adalah modulasi PSK. Pada tulisan ini akan dibahas
modulasi dan demodulasi sinyal BPSK {Binary Phase Shift Keying). BPSK adalah jenis
modulasi PSK untuk sinyal informasi yang hanya berupa bit 1 dan 0 saja.
2.
Modulasi dan Demodulasi BPSK
Modulasi BPSK menyatakan bit 1 dan 0 dengan menggunakan fasa yang berbeda.
Biasanya digunakan beda fasa 180° antara bit 1 dengan bit 0. Secara sederhana modulator
BPSK dapat direalisasikan dengan menggunakan sebuah modulator setimbang yang
akan mengalikan data biner dengan format bipolar (NRZ Bipolar) dengan sinyal
pembawanya, seperti dapat dilihat pada Gambar 4 di bawah ini.
18
Sistem Modulator dan Demodulator BPSK dengan Costas Loop
Budihardja Murtianta
•a— w
C3
£ g
^ "ul "
£? iH
,1
03
BPSK
Balanced Modulator
(Product)
Carrier wave
(Accos 27i-/c()
Gambar 4. Bagan Kotak Modulator BPSK Sederhana.
Sinyal BPSK dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:
..
S
f
ylccos(&ict)
, saatlogikal
t4c cos{oict + n) = -Accos(o)et)
, saat logika 0
(1)
Jika dinyatakan dengan data biner format bipolar, maka Persamaan (1) dapat dinyatakan
dengan Persamaan (2) berikut ini.
s(t) - m(t)Aecos(a)ct)
(2)
Dengan TJx(t) adalah sinyal data biner dinyatakan dengan persamaan :
,.
, saatlogikal
f+1 .saatlogikal
=l-i;,;saat logika 0
m(t)
(3)
Pada prakteknya, modulator BPSK sering direalisasikan dengan bagan kotak pada
Gambar 5 sebagai berikut.
NRZ Unipolar
Level
Shifter
Signal
NRZ Bipolar]
Pulse
Signal ^
t
Shape*
Oscillator
Gambar 5. Bagan Kotak Modulator BPSK.
Proses pembentukan sinyal BPSK dapat dijelaskan seperti pada Gambar 6 berikut ini.
1
Sinyal NRZ
Unipolar
0
i
i
0
1
0
A
0
Sinyal NRZ
Bipolar
Sinyal
Pembawa
Sinyal
BPSK
+A/2
,
-A/2
1
+A/2
Ift A A AAAAAAAAA AAAAAA AAA
-A/2
Gambar 6. Proses Pembentukan Sinyal BPSK.
19
1
Techne Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 14 No. 1 April 2015 Hal 17 - 26
Keluaran dari sumber data digital biasanya masih berupa sinyal NRZ Unipolar. Sinyal
NRZ Unipolar adalah sinyal digital yang menyatakan logika 'V dengan level tegangan
tertentu dan logika '0' dengan level tegangan 0 Volt. Sedangkan sinyal NRZ Bipolar
menyatakan logika 'V dengan level tegangan positif tertentu dan logika '0' dengan level
tegangan negatif tertentu. Pada proses modulasi sinyal BPSK, sinyal NRZ Unipolar akan
diubah menjadi sinyal NRZ Bipolar oleh suatu untai Level Shifter. Keluaran dari Level
Shifter akan dikalikan dengan sinyal pembawa yang dihasilkan oleh osilator, hasil
perkalian ini akan menghasilkan sinyal BPSK. Pada perancangan suatu modulator BPSK
sering ditambahkan tapis pelewat rendah, tapis ini digunakan untuk membatasi lebar
pita dari sinyal BPSK yang dihasilkan agar lebar pitanya lebih kecil. Proses demodulasi
dari sinyal BPSK harus dilakukan secara koheren [1]. Demodulasi koheren adalah proses
demodulasi yang membutuhkan informasi fasa dan frekuensi dari sinyal pembawanya
secara tepat [2]. Proses demodulasi sinyal BPSK dapat dilihat pada pada Gambar 7
berikut ini.
BPSK in
Low-pass
filter
Binary output
cosui t
Gambar 7. Demodulasi sinyal BPSK.
Jika sinyal pembawa yang dihasilkan oleh osilator di bagian demodulator dinyatakan
dengan Persamaan (4) di bawah ini.
c(t) = cos(a}ct)
(4)
Maka keluaran dari pengali akan seperti pada Persamaan (5)
out pengali = ^ m(t)(l + cos(2a>c0)
(5)
Keluaran dari pengali ini akan dilewatkan ke suatu tapis pelewat rendah sehingga akan
menghilangkan komponen frekuensi tinggi
2